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有源相控陣技術發展趨勢

  毫無疑問,有源相控陣技術是推動AESA設計不斷發展的關鍵技術之一,因爲它直接通過大功率晶體管或間接通過冷卻性能影響著AESA的功率孔徑性能。進一步來說,封裝技術又對冷卻性能和密度有重要影響。

 

  MMIC是實現S及以上頻段AESA的關鍵技術,也是L波段AESA率先進入機載應用的關鍵,因爲這類器件與晶體管的特征頻率性能基本無關。盡管质料的載流子遷移率較優,但砷化镓基片的熱性能較差,這也是長期困擾AESA技術發展的一個問題,也是推廣鍺化矽(SiGe)、氮化镓(GaN)等熱特性更優的质料的強大推動力。自首部X波段AESA驗證機問世以來,封裝技術也取得了長足發展。陣列設計理論規定陣元間距爲半個波長或更短,這樣隨著頻率的升高,密度的挑戰也隨之增大。目前陣面上的功率密度基准已超過4/平方厘米。

 

  美國早期的X波段AESA設計和俄羅斯當前的設計均接纳“條狀”或“四芯組件”封裝設計的T/R模塊。這種要领會持續産生生産可重複性問題,因爲任一通道出現瑕疵,都需要對整個“條狀”或“四芯組件”模塊進行再加工。目前美國和歐盟的AESA接纳“單通道”法設計,其中每個單元接纳一組垂直于天線陣面的器件(“瓦片”法)。雖然與PESA相比,AESA不必處理較高的功率電平,但是底板饋電網絡也會帶來設計挑戰,尤其在損耗和帶寬方面。在X波段設計中,饋電網絡也許會變得更複雜,因爲需要劃分陣列建设幾個相位中心,實現雙平面單脈沖跟蹤或地面動目標指示偏置相位中心(DPCA)

 

  AESA永乐高個獨立的通道或單元必須包罗用于接收路徑的低噪放(LNA)、功放、移相器、阻抗匹配、低插損連接、增益控制單元、RF緩沖放大器(如果需要)和數字電路(需要用來將增益和相位參數鎖存到T/R模塊移相器和增益控制器件)。現代AESAT/R模塊還包罗康健監測、機內自檢和校准電路。

 

  必須將T/R模塊內半導體器件的熱量導出模塊,並通過冷卻系統導出天線。X波段AESA多接纳聚烯烴合成油(Poly-Alpha-Olefin,一種先進的冷卻质料),將熱導入飛機燃油內或通過熱交換器導入周圍空氣中。

 

  在分析AESA技術的未來發展趨勢時,一方面要考慮到先進的RF器件质料和工藝的發展,另一方面要考慮到利用影印法制造的數字器件的密度呈指數級增長的趨勢。美國雷達專家布魯克內爾(Brookner)最近指出AESA在器件和质料技術方面的發展趨勢如下:

 

  (1)陣列將接纳微機電系統(MEMS)移相器;

 

  (2)24吉赫茲低成底细控陣汽車雷達的廣泛使用將不斷降低T/R模塊的成本和體積;

 

  (3)基于1個獨立的鍺化矽/雙極互補金屬氧化半導體(BiCMOS)芯片可實現8~32個陣元陣列用的超大規模MMIC電路;

 

  (4)利用氮化镓技術提供10倍功率和更高的效率,利用一個獨立的晶體管組件提供超過1000瓦的峰值功率;

 

  (5)基于矽的低成本鍺化矽芯片;

 

  (6)普渡大學開發的低成本S波段雙板氮化镓數字陣列雷達,帶寬爲700永乐高茲,每個陣元的峰值功率爲25瓦,通過接纳電磁帶隙(EBG)质料,增大天線陣元之間的隔離度,降互低藕,獲得寬角掃描,未來可能取消環形器;

 

  (7)瞬時帶寬從10:130:1的陣列;

 

  (8)通過改善A/D線性度,減少互調,使接收機動態範圍提高20分貝;

 

  (9)無源天線器件中接纳金屬质料;

 

  (10)開發互聯用的三維微加工技術。

 

  密度呈指數級增長是數字領域發展的顯著特點之一,但在射頻器件中並非那麽突出,原因在于阻抗匹配的阻礙和模擬器件的需求。技術的進步,尤其是並行處理計算機硬件的發展可提供執行浮點運算的冗余能力將對雷達發展産生重要影響。通用圖形處理單元芯片的內存帶寬目前已超過100吉比特/秒,單個芯片通常能夠提供超過500個流水線節拍的浮點優化處理核。隨著這種技術繼續發展,將産生更多的處理核,提供更大的內存帶寬,使一些信號/數據處理算法得以實時應用。

 

  总之,随着有源相控陣和制造技术连续永乐高,封装技术的进步和數字電路的指数级增长,这些都将为未来AESA設計開辟更多新的可能性,創造更多的機會。